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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewährleistung der Messgenauigkeit eines Sensors.
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Das Volumen von Medien in Tanks wird häufig über Drucksensoren, durch eine hydrostatische Druckmessung bestimmt. Je nach Applikation muss das Volumen der Medien d.h. der Tankinhalt sehr genau bestimmt werden. Diese Genauigkeit kann nur mit entsprechend spezifizierten hochgenauen und damit aufwendigen und deshalb auch teuren Drucksensoren bewerkstelligt werden, weil bereits kleinste Abweichungen bei der Druckmessung zu relativ großen Fehlern in der Ermittlung des Tankinhaltes führen können.
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Für diese aufwendigen Drucksensoren gelten folgende Anforderungen:
- - Keine Einschraubdrift d.h. keine Nullpunktsverschiebung durch Einbau
- - Hoher Endpunktgenauigkeit
- - Keine Temperaturdrift
- - Keine Offsetdrift aufgrund von Alterung/Setzverhalten
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Diese Eigenschaften können nur durch einen hohen technologischen Aufwand insbesondere im Hinblick auf Langzeitstabilität erreicht werden.
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Häufig sind diese Anforderungen auch in den entsprechenden Datenblättern der jeweiligen Drucksensoren spezifiziert. Sie sollten über die gesamte Betriebszeit erfüllt werden.
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Einfachere und damit günstigere Drucksensoren erfüllen diese Anforderungen in der Regel nicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit eines einfachen Drucksensors über einen längeren Betriebszeitraum zu gewährleisten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung bietet die Möglichkeit, die Messwertgenauigkeit eines Sensors im Betrieb zu gewährleisten, insbesondere dann, wenn z.B. die Messwertgenauigkeit des Sensors bedingt durch Alterungseffekten nachlässt.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin durch kommunikativ vernetzte Sensoren mit ggfs. verschiedenen Messprinzipien von unterschiedlichen Messstellen, aber in der gleichen Applikation, die erforderliche Messgenauigkeit eines speziellen Sensors sicherzustellen.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt eine Tankapplikation TA mit einem Tank T einem Zulauf ZL und einem Ablauf AL, die jeweils über ein Ventil V verschließbar sind. Am Tank T sind zwei Drucksensoren vorgesehen, die als physikalische Größe den Druck p, erfassen und in eine elektrische Größe umwandeln. Diese elektrische Größe wird digitalisiert und weiterverarbeitet und entsprechend einer im Drucksensor hinterlegten Kennlinie (Kalibrierfunktion) in einen Ausgabewert umgewandelt. Der Drucksensor D1, der den Ausgabewert A1 liefert, ist im unteren Tankabschnitt und der Drucksensor D2, der den Ausgabewerte A2 liefert, ist im oberen Tankabschnitt angeordnet. Mit einem Temperatursensor TS wird die Temperatur des Mediums im Tank T erfasst. Mit einem Füllstandssensor FS1 wird der Füllstand, d.h. die Füllhöhe des Mediums im Tank erfasst. Ein erster Grenzstandswächter GW1 detektiert, ob sich im Tank T ein Medium befindet. Ein zweiter Grenzstandswächter GW2 detektiert, ob das Medium im Tank die maximale Füllhöhe erreicht.
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Alle Sensoren und die Grenzstandswächter sind z. B. über eine standardisierte Kommunikationsverbindung der Automatisierungstechnik z.B. IO-Link mit einer abgesetzten Auswerteeinheit AW verbunden. In der Auswerteeinheit AW werden die Ausgabewerte des Drucksensors D in Volumenwerte umgerechnet, dabei wird die spezielle Tankgeometrie und die Dichte des Mediums berücksichtigt. Zur Information des Anwenders in der unmittelbaren Tankumgebung ist an der Auswerteeinheit AW ein Display vorgesehen um den aktuellen Füllstand darzustellen. Die Auswerteeinheit AW ist meist mit einer Steuerung SPS über eine weitere standardisierte Kommunikationsverbindung der Automatisierungstechnik z.B. Profibus/Profinet verbunden. Die Steuerung SPS, die auch Aktoren gegebenenfalls ansteuert, kann ist außerdem mit einem Unternehmensressourcen-Planungssystem ERP-System (z.B. Fa. SAP) verbunden sein.
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Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist anhand des Drucksensors D1 beschrieben, wie dessen Messgenauigkeit im Betrieb gewährleistet mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewährleistet wird.
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Da sich in einer typischen Tankapplikation TA nicht nur ein Sensor nämlich der betreffende Drucksensor D1, sondern üblicherweise noch weitere Sensoren befinden, ist es von großem Vorteil, erfindungsgemäß die Ausgabewerte (Informationen) von den weiteren Sensoren zu nutzen, um die Messgenauigkeit und damit den Ausgabewert A1 des Drucksensors D1 zu gewährleisten und ggf. verbessern.
- 1. Einschraubdrift + Offsetdrift:
- Als Zusatzinformation dient in diesem Fall die „Leermeldung“ des Grenzstandswächters GW1. Diese „Leermeldung“ die z. B. als Pumpenleerlaufschutz dient, stellt die eigentlichen Aufgabe des Grenzstandswächters GW1 dar.
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Sobald der Grenzstandswächter GW1 „Kein Medium“ meldet, muss in dieser Prozesssituation PS folgender definierte Zusammenhang zwischen den beiden Ausgabewerten A1 und A2 bestehen, nämlich der Ausgabewert (Prozesswert) A1 des Drucksensors D1 muss gleich dem Ausgabewert A2 des Drucksensor D2 sein. Ist dies nicht der Fall d.h. A1 ≠ A2 so liegt ein Offsetfehler vor. Im vorliegenden Fall wird davon ausgegangen, dass der Drucksensor D2 im Betrieb weniger stark belastet wird und damit einen verlässlicheren, d.h. einen nicht verfälschten Ausgabewert liefert. In der Auswerteeinheit AW wird der Parameter COF (Offsetkorrekturwert) bestimmt und an den Drucksensor 1 übertragen.
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Der Wert der Offsetkorrektur (Nullpunktfehler) wird wie folgt berechnet
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Beide Fehler (Einschraubdrift bzw. Offsetdrift) können somit bei dem Drucksensor D1 durch den Parameter Offsetkorrekturwert COF der in der Auswerteeinheit AW bestimmt wird und über IO-Link an den Drucksensor D1 übertragen wird, korrigiert werden.
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In der nachfolgenden Figur ist die Offsetkorrektur COF anhand der Figur dargestellt.
Die Figur zeigt eine ideale Kennlinie des Drucksensor
Drifteinflüsse fehlerhafte Kennlinie des Drucksensors
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Allgemein gilt:
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- Bei jedem Drucksensor muss bei dem werkseitigen Abgleich der Nullpunkt- und
- Spannefehler gemessen und elektronisch kompensiert werden. Hierzu ist normalerweise eine Messung des Ausgabewerts (Sensorsignals), sowohl im drucklosen Zustand als auch bei Nenndruck/Arbeitsdruck, notwendig.
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In beiden Fällen wird in der Regel eine Signalabweichung vom Sollwert vorliegen (Offset). Speziell beim Anfahren des Arbeitsdruckes ist zu beachten, dass beim Abgleich eine genügend genaue Referenz verwendet wird. Wenn der Referenzdrucksensor in dieser Prozesssituation einen mindestens einen 4-fach kleineren Messfehler als der abzugleichende Drucksensor aufweist, entspricht der Abgleich sogar der Norm EN837.
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Nach Abgleich der Nullpunkt- und Spannefehler sind zur Ermittlung der Genauigkeit bei Raumtemperatur (Nichtlinearität, Hysterese, Nichtwiederholbarkeit) weiterhin die Angabe aus dem entsprechenden Datenblatt des Drucksensors zu beachten.
- 2. Hohe Endpunktgenauigkeit:
- Als Zusatzinformation dient in diesem Fall der Grenzstandswächter GW2 mit seiner eigentlichen Aufgabe der „Vollmeldung“ z.B: als Überlaufschutz.
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Sobald der Grenzstandswächter 2 „Medium da“ meldet, muss in dieser Prozesssituation PS der Prozesswert A1 des Drucksensors D1 gleich dem Prozesswert A2 des Drucksensors D2 erhöht um den theoretisch berechneten hydrostatischer Druckwert „Phydr“ an der Höhe des Einbauortes des Grenzstandswächter GW2 sein.
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Wobei der Phydr eine Funktion des Prozesswertes von Drucksensor 1, Drucksensor 2 und der Tankgeometrie ist.
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Ist dem nicht so, liegt ein Spannenfehler vor und es erfolgt eine automatische Korrektur durch die Auswerteinheit AW.
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Der Wert des Spannenfehlers Car berechnet sich wie folgt: „CAr“ = Drucksensor 2 + Phydr. - Drucksensor 1.
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Der berechnete Parameterwert CAr wird dem Drucksensor D1 über IO-Link zugeführt.
- 3. Temperaturdrift:
- Dieser Fehler kann bei dem Drucksensor D1 durch eine Korrektur des Temperaturabgleichkoeffizienten „CTK“ über IO-Link korrigiert werden.
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Als Zusatzinformation dient in diesem Fall der Temperatursensor 1 mit seiner eigentlichen Aufgabe der „Mediumstemperaturmessung“.
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Durch einen Vergleich der Ausgabewerte des Drucksensors D1 in der Auswerteeinheit AW bei unterschiedlichen Temperaturen T1 z.B. 20° C und T1' z.B. 100' jeweils in der Prozesssituation PS der Vollmeldung des Grenzstandswächters GW2, lässt sich die Temperaturdrift berechnen.
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Bei ein „richtigen“ Temperaturabgleichkoeffizienten müssen die Ausgabewerte gleich sein A1(T1) = A2(T1').
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Ist dem nicht so, liegt eine Temperaturdrift vor. Der Wert der Temperaturkompensation
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CTK = P1 (Voll,T1 =20°C) - P1' (Voll, T1'= 100°C) wird in der Auswerteeinheit AW berechnet und an den Drucksensor D1 über die IO-Link-Verbindung übertragen Erfindungsgemäß kann dieses Verfahren sinngemäß auch auf andere Sensorsysteme übertragen werden.
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So kann z.B der Drucksensor D1, der durch dieses oben beschriebene Verfahren optimiert wurde, im Folgeschritt dazu dienen, die vorhandene Temperaturdrift des kontinuierlich messenden (kapazitiven- oder geführten Radar) Füllstandsensor FS1 zu optimieren, indem nun die hochgenauen Prozesswerte des Drucksensor 1 als Referenz dient, um den Offsetfehler, Spannenfehler und Temperaturkompensationsfehler des Füllstandsensor FS1 über IO-Link zu optimieren.
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pH-Sensor in einer Tankapplikation
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Ein PH-Sensor benötigt zur eigenen Kennlinienkorrektur einen Temperaturwert.
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Deshalb haben solche pH-Sensoren üblicherweise einen Temperatursensor integriert, der aber konstruktionsbedingt eine schlechte Ansprechzeit aufweist und daher nicht zu einem optimalen Messergebnis beitragen kann.
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Ist bei der Tankapplikation ein separater Temperatursensor TS mit einer sehr schnellen Ansprechzeit vorgesehen, der örtlich sehr nahe zum pH-Sensor angebracht ist, so kann dieser Temperaturwert erfindungsgemäß an den pH-Sensor via IO-Link übermittelt werden um dessen Ausgangssignal (Prozesswert) zu verbessern, weil dadurch im pH-Sensor ein genauerer Temperaturwert zu Verfügung steht.
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Mit der Erfindung können auch nicht genau kalibrierte Sensoren an die entsprechende Applikation angepasst werden, in der genauere Kalibriewerte vorliegen.
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Nachfolgend sind die einzelnen Verfahrensschritte angegeben
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Messgenauigkeit eines Sensors im vorliegenden Fall des Drucksensors D1 während des Betriebs gewährleistet. Hierbei werden die Informationen von weiteren in der Tankapplikation TA eingesetzten Sensoren verwendet.
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Der Drucksensor D1 erfasst kontinuierlich die physikalische Größe Druck p an dem Tank T als Messobjekt und wandelt diese in eine elektrische Größe (Kapazität) um, die mit einer Auswerteschaltung analog gemessen wird. Dieser Analogwert wird digitalisiert und gemäß einer im Drucksensor D1 hinterlegten Kalibrierfunktion in einen Ausgabewert A1 umgewandelt, der dem aktuell herrschenden Druck p am Drucksensor D1 eindeutig zugeordnet ist. Dieser Ausgabewert A1 wird an die Auswerteinheit A übermittelt und dort z.B. in ein Volumen umgerechnet und z.B. als Literangabe dargestellt.
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Mit der abgesetzten Auswerteeinheit AW sind noch die weiteren Sensoren D2, TS sowie die Grenzstandswächter GW verbunden.
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In einem ersten Verfahrensschritt A) wird eine Prozesssituation PS definiert, in der ein definierter Zusammenhang zwischen dem Ausgabewert A1 des Drucksensors D1 als ersten Sensor und dem Ausgabewert A2 des Drucksensors D2 als zweiten Sensor vorliegt.
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Im Betrieb werden die Ausgabewerte A1, A2 der beiden Drucksensoren D1, D2 gemäß den Verfahrensschritten B) und C) kontinuierlich ermittelt
In der abgesetzten Auswerteeinheit AW wird kontinuierlich geprüft ob die im Verfahrensschritt 1 definierte Prozesssituation PS vorliegt (Verfahrensschritt D) und wenn diese definierte Prozesssituation vorliegt, wird überprüft, ob der definierte Zusammenhang zwischen den Ausgabewerten A1 und A2 besteht (Verfahrensschritt E).
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Stimmen die beiden Ausgabewerte überein, kann davon ausgegangen werden, dass die Messgenauigkeit des Drucksensors D1 z.B. alterungsbedingt nicht nachgelassen hat.
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Wenn dies jedoch nicht der Fall ist kann davon ausgegangen werden, dass die im Drucksensor D1 abgelegte Kalibrierkurve nicht mehr zutrifft und deshalb korrigiert werden muss. Hierzu wird in der abgesetzten Auswerteeinheit AW ein Korrekturwert z. B. COF, CAr, CTK ermittelt und dieser Korrekturwert an den Drucksensor D1 zur Anpassung der Kalibrierfunktion übertragen, damit der Ausgabewert A1 dem in dieser Prozesssituation PS durch den Ausgabewerte A2 des Sensors S2 vorgegebenen Wert entspricht (Verfahrensschritt F). Die gewählten Bezeichnungen entsprechen den in der Bedienungsanleitung 12/2016 „Elektronischer Drucksensor PI27xx“ verwendeten Bezeichnungen.
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3 zeigt die für die Gewährleistung der Messgenauigkeit erforderliche Ermittlung der Korrekturwerte als Blockdiagramm. Das Messobjekt, hier der Tank mit dem Medium, liefert die Messgrößen, die mit zwei Sensoren erfasst werden. In der Auswerteeinheit werden die Messwerte ausgewertet und gegebenenfalls Korrekturwerte ermittelt, die dann an den Sensor 1 zurückübertragen werden.
